CN101961975A - 惯性质量蓄能式车辆悬架 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种惯性质量蓄能式车辆悬架，涉及车辆悬架技术领域，其特征在于，包括车身隔振体(1)和车轮隔振体(2)，车身隔振体(1)包括弹簧A(3)、阻尼器A(4)和惯性质量蓄能器(5)，弹簧A(3)、阻尼器A(4)和惯性质量蓄能器(5)并联连接；车轮隔振体(2)包括弹簧B(6)和阻尼器B(7)，弹簧B(6)和阻尼器B(7)并联连接；车身隔振体(1)和车轮隔振体(2)串联连接。本发明既大大改善车辆的乘坐舒适性，又提高了行驶安全性，使悬架的整体性能得到了大幅度的提升。本发明结构紧凑，占用空间小，易于布置，不需要复杂的控制器、控制策略和电子元器件，不需要能量输入，成本低，可靠性高。

Description

惯性质量蓄能式车辆悬架

技术领域

本发明涉及涉及车辆悬架技术领域，特指采用了惯性质量蓄能器的车辆悬架。

背景技术

悬架的功能主要是保证良好的乘坐舒适和稳定的轮胎载荷，除此之外，悬架在执行该功能的同时，还必须将悬架行程控制在允许的范围内。传统被动悬架由弹簧和阻尼器组成，一方面，采用软的弹簧可获得较好的乘坐舒适性，而另一方面，高的乘坐舒适性却总是以牺牲悬架工作空间为代价，同时也会对行驶安全性产生不良影响，这一矛盾是悬架设计者所面临的一个难题。

中国专利200810123830.8公开了一种应用惯性蓄能器的车辆悬架，包括由惯性质量蓄能器和阻尼器组成的并联体，以及由弹簧和阻尼器组成的并联体，两个并联体串联形成两级隔振式车辆悬架，理论上，这种悬架能有效缓解乘坐舒适性与行驶安全性之间的矛盾，然而在实际应用过程中，惯性质量蓄能器和阻尼器的并联体，在车身重力的作用下很容易因被“击穿”而失效，失效后的悬架与传统被动悬架的性能并无区别，因此必须解决惯性质量蓄能器和阻尼器的并联体因“击穿”而失效的问题，该悬架才有实用价值。

德国专利DE000019958178C1公开的一种车辆悬架，采用弹簧和质量块以吸振子的形式来吸收车身振动能量，但采用这种形式吸收车身振动能量需要较重的质量块，大大增加了悬架部分的重量，相当于增加了簧下质量的重量，势必会造成轮胎动载荷的增加，恶化车辆的行驶安全性，此外，由于该悬架采用了两级串联的形式使得悬架过高，布置比较困难。

近年来发展起来的主动和半主动悬架虽然能有效地缓解乘坐舒适性与行驶安全性的矛盾，但主动悬架由于结构复杂、可靠性差、响应慢、能耗高、成本高，大规模应用仍有困难；半主动悬架虽然能耗低，但时滞问题的存在限制了其性能的发挥。惯性质量蓄能器的引入，使得被动悬架性能的改善具有了更大的潜力，而低碳、环保、节约能源的科技发展趋势，使得被动悬架重新回到了人们的视野，对被动悬架的研究又重新受到重视。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服惯性质量蓄能器在车身重力作用下容易被“击穿”的技术缺点，解决两级串联悬架过高、难布置的技术问题，提供一种能够协调乘坐舒适性与行驶安全性之间矛盾的车辆悬架。

本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：将弹簧A、阻尼器A和惯性质量蓄能器并联连接组成车身隔振体，将弹簧B和阻尼器B并联连接构成车轮隔振体，再将车身隔振体和车轮隔振体串联连接组成惯性质量蓄能式车辆悬架，通过车身隔振体来抑制车身垂直加速度的低频(车身固有频率)峰值，通过车轮隔振体来抑制轮胎动载荷的高频(车轮固有频率)峰值，从而达到协调乘坐舒适性与行驶安全性之间矛盾的目的。

本发明具体技术方案为，包括车身隔振体和车轮隔振体。

车身隔振体包括弹簧A、阻尼器A和惯性质量蓄能器，弹簧A为螺旋压缩弹簧，阻尼器A为筒式液压阻尼器，惯性质量蓄能器为滚珠丝杆惯性质量蓄能器，弹簧A、阻尼器A和惯性质量蓄能器三者并联连接构成了车身隔振体，车身隔振体的上端与车身铰接。

惯性质量蓄能器包括吊耳A、行程室、螺母、丝杠、橡胶防尘罩、丝杠支撑座、飞轮、飞轮室和吊耳B。丝杠包括光杆部分和螺纹滚道部分；飞轮固定于丝杠的光杆部分，丝杠的轴线是飞轮的旋转轴；丝杠支撑座内安装有轴承，轴承外圈与丝杠支撑座的内孔配合，轴承内圈与丝杠靠近滚道一侧的光杆部分配合，以保证丝杠相对于丝杠支撑座旋转时，丝杠支撑座对丝杠在轴向和径向上的位置保持不变；螺母同丝杠上的螺纹滚道相啮合；行程室为一端开口一端封闭的长筒状，开口端固套在螺母的外圆上，以保证行程室与螺母同轴，封闭端与吊耳A的螺杆部分相连；飞轮室也为一端开口一端封闭的长筒状，开口端固套在丝杠支撑座的外圆上，以保证飞轮室与丝杠支撑座同轴，封闭端与吊耳B的螺杆部分相连；橡胶防尘罩为风琴式防尘罩，一端套装于行程室外筒，另一端套装于飞轮室外筒；吊耳A和吊耳B的螺杆部分，分别与行程室和飞轮室封闭端中心孔上的螺纹相旋合，以保证两吊耳中心点在丝杠轴线上。

车轮隔振体包括弹簧B和阻尼器B，还包括摆杆和空心铰链轴。

弹簧B为扭转弹簧，阻尼器B为扭转阻尼器包括外筒和扭力轴，弹簧B套装在阻尼器B的扭力轴上且与扭力轴同轴，弹簧B的一端与扭力轴远离阻尼器B的一端相连。

空心铰链轴为钢质圆形薄壁回转体，长度大于直径，内圆与阻尼器B的扭力轴配合，外圆与设在悬架横梁端部的铰链轴孔配合，空心铰链轴一端与阻尼器B的外筒相连，另一端与弹簧B的一端相连，空心铰链轴与弹簧B相连端的外圆还与摆臂相连，摆臂垂直于空心铰链轴的轴线，并绕此轴线摆动。

摆杆为截面呈“工”字形的钢质杆，一端与车身隔振体下端铰接，且悬架在平衡位置时摆杆与车身隔振体相互垂直，另一端与阻尼器B的扭力轴相互并垂直固定接。

本发明的有益效果是，可使车身垂直加速度的低频峰值数值减小2～3倍，悬架动行程的低频峰值数值减小30％，轮胎动载荷的高频峰值数值减小20％，大大改善乘坐舒适性，有效协调了乘坐舒适性与行驶安全性之间矛盾；克服了惯性质量蓄能器在车身重力作用下容易被“击穿”的技术缺点；悬架结构紧凑，占用空间小，易于布置；不需要复杂的控制器、控制策略和电子元器件，不需要能量输入，成本低，可靠性高。

附图说明

图1为惯性质量蓄能式车辆悬架基本结构示意图；

图2为惯性质量蓄能式车辆悬架布置示意图；

图3为车轮隔振体结构示意图；

图4为车轮隔振体详细结构示意图；

图5为惯性质量蓄能器外形图；

图6为惯性质量蓄能器结构分解图；

图中，1-车身隔振体2 -车轮隔振体 3-弹簧A 4-阻尼器A 5-惯性质量蓄能器 6-弹簧B 7-阻尼器B 8-摆臂 9-摆杆 10-悬架横梁 11-车身 12-空心铰链轴 13-吊耳A14-行程室 15-螺母 16-丝杠 17-橡胶防尘罩 18-丝杠支撑座 19-飞轮 20-飞轮室 21-吊耳B

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明包括车身隔振体1和车轮隔振体2。

车身隔振体1包括弹簧A3、阻尼器A4和惯性质量蓄能器5，弹簧A3为螺旋压缩弹簧，阻尼器A4为筒式液压阻尼器，惯性质量蓄能器5为滚珠丝杆惯性质量蓄能器，弹簧A3、阻尼器A4和惯性质量蓄能器5三者并联连接构成了车身隔振体1，车身隔振体1的上端与车身11铰接。

惯性质量蓄能器5包括吊耳A13、行程室14、螺母15、丝杠16、橡胶防尘罩17、丝杠支撑座18、飞轮19、飞轮室20和吊耳B21。丝杠16包括光杆部分和螺纹滚道部分；飞轮19固定于丝杠16的光杆部分，丝杠16的轴线是飞轮19的旋转轴；丝杠支撑座18内安装有轴承，轴承外圈与丝杠支撑座18的内孔配合，轴承内圈与丝杠16靠近滚道一侧的光杆部分配合，以保证丝杠16相对于丝杠支撑座18旋转时，丝杠支撑座18对丝杠16在轴向和径向上的位置保持不变；螺母15同丝杠16上的螺纹滚道相啮合；行程室14为一端开口一端封闭的长筒状，开口端固套在螺母15的外圆上，以保证行程室14与螺母15同轴，封闭端与吊耳A13的螺杆部分相连；飞轮室20也为一端开口一端封闭的长筒状，开口端固套在丝杠支撑座18的外圆上，以保证飞轮室20与丝杠支撑座18同轴，封闭端与吊耳B21的螺杆部分相连；橡胶防尘罩17为风琴式防尘罩，一端套装于行程室14外筒，另一端套装于飞轮室20外筒；吊耳A13和吊耳B21的螺杆部分，分别与行程室14和飞轮室20封闭端中心孔上的螺纹相旋合，以保证两吊耳中心点在丝杠16轴线上。

车轮隔振体2包括弹簧B6和阻尼器B7，还包括摆杆9和空心铰链轴12。

弹簧B6为扭转弹簧，阻尼器B7为扭转阻尼器，包括外筒和扭力轴，弹簧B6套装在阻尼器B7的扭力轴上且与扭力轴同轴，弹簧B6的一端与扭力轴远离阻尼器B7的一端相连。

空心铰链轴12为钢质圆形薄壁回转体，长度大于直径，内圆与阻尼器B7的扭力轴配合，外圆与设在悬架横梁10端部的铰链轴孔配合，空心铰链轴12的一端与阻尼器B7的外筒相连，另一端与弹簧B6的一端相连，空心铰链轴12与弹簧B6相连端的外圆还与摆臂8相连，摆臂8垂直于空心铰链轴12的轴线，并绕此轴线摆动。

摆杆9为截面呈“工”字形的钢质杆，一端与车身隔振体1下端铰接，且悬架在平衡位置时摆杆9与车身隔振体1相互垂直，另一端与阻尼器B7的扭力轴相互垂直并固定连接。

下面结合附图对本发明具体实施过程作进一步说明。

如图1、3和4所示，由于摆臂8绕空心铰链轴12摆动，摆杆9绕阻尼器B7的扭力轴摆动，而阻尼器B7的外筒通过空心铰链轴12与弹簧B6的一端相连，弹簧B6的另一端与阻尼器B7的扭力轴相连，因此弹簧B6和阻尼器B7有两个共同端，也即它们是并联关系。由路面不平引起的振动传递到轮胎，使摆臂8相对于摆杆9产生角位移，从而使弹簧B6和阻尼器B7的一个共同端相对于另一个共同端产生扭转，车轮隔振体2便开始工作。

如图2、3和4所示，经车轮隔振体2传来的振动使车轮隔振体1的两端产生相对位移时，弹簧A3、阻尼器A4和惯性质量蓄能器5将同时受到拉伸和压缩。

如图5和6所示，惯性质量蓄能器5，在工作过程中以吊耳A13和吊耳B21为输入端点，当等大反向的力f施加在两个端点上时，吊耳A13相对于吊耳B21做直线运动，由螺母15和丝杠16将直线运动转化丝杠的旋转运动，进而驱动飞轮19做旋转运动，从而将力f对惯性质量蓄能器5所做的正功以动能的形式储存起来，做负功时释放出来。

惯性质量蓄能器的动力学方程为f＝b·a，其中f、a和b分别表示施加在两端点上的力、两端点的相对加速度和惯性质量系数，惯性质量系数可由丝杠16的螺距以及飞轮19的转动惯量计算出。设丝杠16的螺距P，飞轮19的转动惯量I。由牛顿第二定律可导出下面的关系式：

$b=I\·{\left(\frac{2\mathrm{\π}}{P}\right)}^2$

根据上式，改变丝杠的螺距和飞轮的转动惯量便可得到具有合适惯性质量系数的惯性质量蓄能器。

对传统被动悬架而言，采用软弹簧能够抑制车身加速度的低频峰值，改善车辆的乘坐舒适性，然而却使得轮胎动载荷的高频峰值明显增大，恶化了车辆的行驶安全性，而采用硬弹簧能够抑制轮胎动载荷的高频峰值，改善车辆的行驶安全性，然而却使得车身加速度的低频峰值明显增大，恶化了车辆的乘坐舒适性，因此由弹簧和阻尼器并联组成的传统被动悬架难以兼顾车辆的乘坐舒适性和行驶安全性。本发明采用车身隔振体与车轮隔体两级串联的形式，用车身隔振体抑制车身加速度的低频峰值，同时也抑制了悬架动行程和轮胎动载荷的低频峰值，用车轮隔振体抑制轮胎动载荷的高频峰值，因此本发明有效协调了车辆的乘坐舒适性与行驶安全性之间的矛盾，既大大改善车辆的乘坐舒适性，又提高了行驶安全性，使悬架的整体性能得到了大幅度的提升。

本发明的车轮隔振体采用扭转弹簧和阻尼的形式，寓车轮隔振体于摆臂8与悬架横梁10的铰链轴上，降低了悬架高度，使悬架结构紧凑，易于布置；车身隔振体采用弹簧、阻尼器和惯性质量蓄能器并联的形式，以弹簧来平衡车身重力，使阻尼器和惯性质量蓄能器在平衡位置附近工作，克服了惯性质量蓄能器在车身重力作用下容易被“击穿”的技术缺点。

Claims (4)

1.一种惯性质量蓄能式车辆悬架，其特征在于，包括车身隔振体(1)和车轮隔振体(2)，所述车身隔振体(1)包括弹簧A(3)、阻尼器A(4)和惯性质量蓄能器(5)，所述弹簧A(3)、阻尼器A(4)和惯性质量蓄能器(5)并联连接；所述车轮隔振体(2)包括弹簧B(6)和阻尼器B(7)，所述弹簧B(6)和阻尼器B(7)并联连接；所述车身隔振体(1)和车轮隔振体(2)串联连接。

2.根据权利要求1所述的惯性质量蓄能式车辆悬架，其特征在于，所述车身隔振体(1)的上端与车身(11)铰接，所述弹簧A(3)为螺旋压缩弹簧，所述阻尼器A(4)为筒式液压阻尼器，所述惯性质量蓄能器(5)为滚珠丝杆惯性质量蓄能器。

3.根据权利要求1所述的惯性质量蓄能式车辆悬架，其特征在于，所述弹簧B(6)为扭转弹簧，所述阻尼器B(7)为扭转阻尼器，包括外筒和扭力轴，弹簧B(6)套装在阻尼器B(7)的扭力轴上且与扭力轴同轴，弹簧B(6)的一端与扭力轴远离阻尼器B(7)的一端相连。

4.根据权利要求1、2或3所述的惯性质量蓄能式车辆悬架，其特征在于，所述车轮隔振体(2)还包括摆杆(9)和空心铰链轴(12)；所述摆杆(9)为截面呈“工”字形的钢质杆，所述摆杆(9)一端与车身隔振体(1)下端铰接，且悬架在平衡位置时摆杆(9)与车身隔振体(1)相互垂直，所述摆杆(9)另一端与阻尼器B(7)的扭力轴相互并垂直固定接；所述空心铰链轴(12)为钢质圆形薄壁回转体，长度大于直径，所述空心铰链轴(12)的内圆与阻尼器B(7)的扭力轴配合，外圆与设在悬架横梁(10)端部的铰链轴孔配合；所述空心铰链轴(12)的一端与阻尼器B(7)的外筒相连，另一端与弹簧B(6)的一端相连，所述空心铰链轴(12)与弹簧B(6)相连端的外圆还与摆臂(8)相连，摆臂(8)垂直于空心铰链轴(12)的轴线。

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